-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Überwachung
der Sperrschichttemperatur von Leistungshalbleitern in mehrphasigen
Wechselrichtern oder Gleichrichtern in Brückenschaltung, wobei eine Verlustleistung
der Leistungshalbleiter und ein thermisches RC-Ersatzschaltbild
wenigstens eines Teiles eines ausgebildeten Brückenzweigs zur Berechnung der
aktuellen Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter herangezogen
werden.
-
Für
elektrische Antriebe, z.B. in elektrischen oder hybriden Straßenfahrzeugen
werden häufig spannungsgespeiste
Wechselrichter benutzt. Bei Straßenfahrzeugen tritt der Betrieb
mit hohen Strömen
bei kleinen Drehzahlen auf und stellt eine thermische Gefährdung der
Leistungshalbleiter des Wechselrichters dar.
-
Bei leistungselektronischen Geräten wie
beispielsweise spannungsgespeisten Wechselrichtern treten in den
Leistungshalbleitern Verluste auf, die zu einer Erwärmung der
Halbleiter führen.
Die Halbleiterhersteller geben maximale Sperrschichttemperaturen
an, bis zu denen der Halbleiter betrieben werden darf, z.B. 150°C. Auch ein
nur kurzfristiges Überschreiten
dieser maximalen Sperrschichttemperatur kann zu einer dauerhaften
Schädigung
des Halbleiters bzw. des Gerätes
in dem der Halbleiter angeordnet ist (z.B. in einem Wechselrichter)
führen.
Um nun die Halbleiterbaulelemente wirksam vor Übertemperatur schützen bzw.
bei einer drohenden Überhitzung entsprechend
reagieren (z.B. Kühlung
etc.) zu können,
müssen
deren aktuelle Sperrschichttemperaturen möglichst genau bestimmt werden.
-
Ein gattungsgemäßes Schutzkonzept ist beispielsweise
in S. Konrad et al., Electro-thermal Model for Simulating Chip Temperature
in PWM Inverters, PCIM 1995 – Official
Proceedings of the thirtieth International Power Conversion Conference,
20.–22. Juni
1995 Nürnberg
beschrieben. Darin wird anhand der Belastung des Wechselrichters,
z.B. anhand der Motorströme,
die in den Halbleitern auftretende Verlustleistung während des
Betriebes berechnet und mit einer Nachbildung des thermischen Widerstandes
der Halbleiter die Erwärmungen
ermittelt. Zusammen mit einer gemessenen Kühler- oder Kühlmitteltemperatur
die eine geeignete Kühlung
des Wechselrichters erlaubt, ergibt sich daraus die Sperrschichttemperatur.
Die thermischen Widerstände vom
Halbleiter zum Kühlmittel,
z.B. von Luft oder Wasser, sind durch die Materialien und den Aufbau des
Leistungsteiles gegeben und können
z.B. durch ein RC-Ersatzschaltbild
nachgebildet werden. Ein derartiges RC-Ersatzschaltbild enthält mehrere
thermische Widerstände
Rth und Wärmekapazitäten Cth. Das
Verhalten einer solchen Parallelschaltung von Rth und Cth ist durch
eine Exponentialfunktion mit der Zeitkonstanten τth beschrieben. Die jeweils
zusammengehörigen
Widerstände
und Kapazitäten
ergeben die Zeitkonstanten τth1
= Rth1 × Cth1.
Dabei handelt es sich beispielsweise um sieben Paare Rth und Cth,
deren Zeitkonstanten im Bereich einer 100 μs bis einige 10 s liegen. Aus
dem Strom und der Modulation einer Phase kann auf die jeweiligen
Verlustleistungen in den IGBTs und den Dioden geschlossen werden.
Aus den thermischen Modellen ergeben sich dann die jeweiligen Erwärmungen
dieser Bauelemente. Die Bauelemente kühlen sich zwar in den Augenblicken,
in denen sie keine Verlustleistung umsetzen, wieder ab, jedoch erfolgt
eine stetige langsame Erwärmung
des gesamten Aufbaus. Die Erwärmung pulsiert
auch mit der Ausgangsfrequenz.
-
Da ein Wechselrichter mit drei Brückenzweigen
beispielsweise sechs IGBTs und sechs Dioden enthält, wäre für einen wirksamen Schutz gegenüber Temperatur
die Berechnung von insgesamt zwölf Verlustleistungen
und zwölf
Erwärmungen
notwendig. Dies gestaltet sich unter anderem deshalb schwierig,
da sich die Zeitkonstanten der RC-Glieder über mehrere Zehnerpotenzen
erstrecken und somit eine Berechnung in getrennten Zeitschleifen
erfordern, da es sonst zu unumgänglichen
Problemen der numerischen Genauigkeit kommt.
-
Eine mögliche Vereinfachung (für Frequenzen > 0) ist, nur einen
der drei (oder mehr) Brückenzweige
zu berechnen, da die Ausgangsströme der
drei Phasen grundsätzlich
einander gleichen und nur einen zeitlichen Versatz aufweisen. Sinnvoller Weise
wird zur Überwachung
der Brückenzweig
mit den kritischsten Kühlbedingungen
herangezogen, beispielsweise derjenige, der von einer vorbeiströmenden Kühlflüssigkeit
als letzter gekühlt
wird (die Kühlflüssigkeit
hat sich u.U. bereits geringfügig
erwärmt).
-
Da die positive Halbwelle der negativen Halbwelle
des Phasenstroms betragsmäßig gleicht, kann
eine weitere Verbesserung dadurch erreicht werden, dass ein Wechselrichter
mit nur zwei thermischen Modellen, eines für den IGBT und eines für die gegenüberliegende
Diode eines Brückenzweiges
geschützt
wird.
-
Wenn jedoch die Ausgangsfrequenz
sehr niedrig oder gleich null ist, z.B. wenn der Motor vom Stillstand
aus Drehmoment liefern soll, reichen diese Schutzkonzepte allein
nicht aus. In diesem Fall nimmt die Schwankungsbreite der Temperaturen sehr
stark zu und es kann zu einer Überschreitung der
zulässigen
Temperatur in einem Brückenzweig kommen,
während
das Modell einen anderen Brückenzweig überwacht.
Verschärft
wird diese Problematik dadurch, dass bei einem drei- oder mehrphasigen
Wechselrichter vorher nicht feststeht, welche Phase bei einer Ausgangsfrequenz
nahe null den höchsten
Strom führt.
Ebenso ist vorher nicht bekannt, ob das Vorzeichen des größ ten Stromes
positiv oder negativ ist, was dazu führen kann, dass in einem Teil
des Brückenzweiges
eine Übertemperatur herrschen
kann, während
der andere Teil des Brückenzweiges,
der vom thermischen Modell überwacht
wird, keine Verlustleistung verursacht.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung der Sperrschichttemperaturen
von Leistungshalbleitern in mehrphasigen Wechselrichtern oder Gleichrichtern
der eingangs erwähnten
Art zu schaffen, das die Nachteile des Standes der Technik löst, insbesondere
eine einfache, sichere und genaue Möglichkeit zur Temperaturüberwachung
aller eingesetzten Leistungshalbleiter liefert.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch
gelöst,
dass zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter
bei einer über
einem Grenzwert liegenden Ausgangsfrequenz des Wechselrichters oder
Gleichrichters ein Phasenstrom des wenigstens einen ausgewählten Brückenzweigs
zur Bestimmung der Verlustleistung herangezogen wird, wobei bei
einer unter dem Grenzwert liegenden Ausgangsfrequenz der jeweils größte Betrag
eines der Phasenströme
der Brückenzweige
zur Bestimmung der Verlustleistung herangezogen wird.
-
Demzufolge wird unterschieden zwischen
einem Betrieb, bei dem die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters
groß genug
ist, dass zwei thermische Modelle (z.B. eines IGBT und einer Diode
eines Brückenzweiges)
zur Überwachung
des gesamten Wechselrichters ausreichen, und einem Betrieb mit einer
darunter liegenden Ausgangsfrequenz, bei dem jedoch anstelle des
Phasenstroms des zu überwachenden
Brückenzweiges
der jeweils größte Betrag eines
Phasenstroms zur Berechnung der Verlustleistungen in der Nachbildung
herangezogen wird. Damit wird in einfacher und vorteilhafter Weise
sichergestellt, dass die Verlustleistung der Phase, die den größten Strom
führt (worst
case) verwendet wird. Des weiteren wird durch die Betragsbildung
sichergestellt, dass immer der dadurch belastete Teil des Brückenzweigs
nachgebildet wird (ein negativer Strom könnte in einem Teil des Brückenzweigs
keinerlei Verluste verursachen, während er in einem anderen Teil
des Brückenzweigs
zu einer Übertemperatur führt). Somit
können
mit nur zwei thermischen Modellen, eines für einen IGBT und eines für eine Diode
eines Brückenzweigs,
alle Brückenzweige
eines drei- oder mehrphasigen Wechselrichters geschützt werden.
Es wird auch für
kleine Ausgangsfrequenzen oder den Betrieb mit einer Ausgangsfrequenz
null (z.B. Stillstand des Motors beim Anfahren) ein sicherer Schutz
realisiert, unabhängig
davon, in welcher Phase der größte Strom
fließt
und welches Vorzeichen dieser Strom hat.
-
Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein,
dass die Motordrehzahl zur Bestimmung der Ausgangsfrequenz verwendet
wird.
-
In einfacher und vorteilhafter Weise
kann somit unter Vernachlässigung
des Schlupfes auf die Ausgangsfrequenz des Wechsel- oder Gleichrichters geschlossen
werden.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und
aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen
Ausführungsbeispiel.
-
Es zeigt:
-
1 ein
Schaltbild eines dreiphasigen Wechselrichters der einen Motor versorgt
gemäß dem Stand
der Technik;
-
2 ein
prinzipmäßiges Schaubild
der Verläufe
der Motorphasenströme
gemäß dem Stand
der Technik;
-
3 ein
prinzipmäßiges RC-Ersatzschaltbild
mit thermischen Widerständen
und Wärmekapazitäten gemäß dem Stand
der Technik;
-
4 ein
prinzipmäßiges Diagramm
der jeweiligen Verlustleistungen in IGBTs und Dioden gemäß dem Stand
der Technik;
-
5 ein
prinzipmäßigs Diagramm
des Temperaturverlaufs der Leistungshalbleiter gemäß dem Stand
der Technik;
-
6 ein
prinzipmäßiges Schaubild
des jeweils größten Betrages
eines Phasenstroms; und
-
7 ein
prinzipmäßiges Flußdiagramm
eines Systems in welchem das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung findet.
-
Wie aus 1 ersichtlich, weist ein dreiphasiger
durch die Spannung Ud gespeister Wechselrichter 1 zur
Versorgung eines Motors 2 mit den Phasenströmen ir,
is, it drei Brückenzweige
br, bs, bt mit Leistungshalbleitern, nämlich IGBTs T1 bis T6 und Dioden
D1 bis D6 auf. In den Leistungshalbleitern T1 bis T6, D1 bis D6,
treten Verluste auf, die zu deren Erwärmung führen. Die Halbleiterhersteller
geben maximale Sperrschichttemperaturen Tchip an,
bis zu denen die Halbleiter T1 bis T6, D1 bis D6 betrieben werden
dürfen,
beispielsweise 150°C.
-
Wird diese Temperaturgrenze auch
nur kurzfristig überschritten,
kann es zu einer dauerhaften Schädigung
des Halbleiters T1 bis T6, D1 bis D6 bzw. des Wechselrichters 1 kommen.
-
Der Stand der Technik schlägt eine
Möglichkeit
zur Überwachung
der Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter T1 bis T6,
D1 bis D6 vor, bei der durch die Belastung des Wechselrichters 1 anhand
der Phasenströme
ir(t), is(t), it(t) (Verläufe
in 2 skizziert), die
in den Halbleitern T1 bis T6, Dl bis D6 eine Verlustleistung Pv während
des Betriebes hervorrufen und mit Hilfe eines thermischen Modells der
Halbleiter T1 bis T6, D1 bis D6 die Erwärmungen berechnet wird. Zusammen
mit einer gemessenen Kühler-
oder Kühlmittel temperatur
ergibt sich daraus die aktuelle Sperrschichttemperatur Tchip der Halbleiter T1 bis T6, D1 bis D6.
-
Thermische Modelle vom Halbleiter
T1 bis T6, Dl bis D6 zum Kühlmittel
(nicht dargestellt), z.B. Luft oder Wasser, sind durch die Materialien
und den Aufbau des Leistungsteiles gegeben und werden jeweils in
Form eines in 3 prinzipmäßig dargestellten
RC-Ersatzschaltbildes 3 nachgebildet. wie aus 3 ersichtlich, weist das
RC-Ersatzschaltbild 3 mehrere thermische Widerstände Rth1
bis Rthn und Wärmekapazitäten Cth1
bis Cthn auf. Eine derartige Parallelschaltung von thermischen Widerständen Rth1
bis Rthn und Wärmekapazitäten Cth1
bis Cthn kann im Verhalten durch eine Exponentialfunktion mit der
Zeitkonstanten τth
beschrieben werden. Beispielsweise ergibt sich die Zeitkonstante τthl aus dem Produkt
von Rth1 und Cth1. Die Zeitkonstanten der thermischen Widerstände Rth1
bis Rthn und der Wärmekapazitäten Cth1
bis Cthn liegen im Bereich einiger hundert μs bis einige zehn s. Nun kann
aus dem Phasenstrom ir(t) , is(t) , it(t) und der Modulation (Aussteuerung)
einer Phase r, s, t auf die jeweiligen Verlustleistungen Pvi(t) in den IGBTs T1 bis T6 und Pvd(t) in den Dioden D1 bis D6 geschlossen
werden. Anhand der thermischen Modelle ergeben sich dann die Erwärmungen
STin und STdn dieser
Bauelemente (siehe 5).
Wie aus 5 ersichtlich
kühlen
sich die Bauelemente T1 bis T6, D1 bis D6 in den Augenblikken, in
denen sie keine Verlustleistung Pv umsetzen,
wieder ab. Es ist ebenfalls ersichtlich, dass die Erwärmung mit
der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters pulsiert. Es erfolgt eine
allmähliche
stetige Erwärmung
des gesamten Aufbaus.
-
Im Stand der Technik werden Vereinfachungen
(für Ausgangsfrequenzen
größer als
null) vorgeschlagen, bei denen nur einer der drei Brückenzweige
br, bs, bt überwacht
wird, da die Phasenströme ir(t),
is(t), it(t) einander gleichen (siehe 2)
und nur einen zeitlichen Versatz aufweisen. Der Wechselrichter 1 weist
zwölf Leistungshalbleiter
T1 bis T6, D1 bis D6 auf. Somit wäre die Berechnung von zwölf Verlustleistungen Pv und zwölf
Erwärmungen
notwendig. Dies gestaltet sich insbesondere deshalb schwierig, da
sich die Zeitkonstanten τth1
bis τthn
der RC-Glieder Rth1 bis Rthn, Cth1 bis Cthn der RC-Ersatzschaltbilder 3 über mehrere
Zehnerpotenzen erstrecken und somit die Berechnung in getrennten
Zeitschleifen erforderlich machen, da es sonst unweigerlich zu numerischen
Genauigkeitsproblemen kommt.
-
Der Stand der Technik schlägt eine
weitere Vereinfachung vor, die sich daraus ergibt, dass die positiven
Halbwellen den negativen Halbwellen der Phasenströme ir(t),
is(t), it(t) der negativen Halbwelle betragsmäßig gleichen. Wenn beispielsweise
die positive Halbwelle von ir(t) (siehe 2) Verluste in T1 und D2 verursacht,
so wird die negative Halbwelle gleiche Verluste in T2 und Dl verursachen.
Dadurch kann eine Wechselrichter 1 mit nur zwei thermischen Modellen
eines für
einen IGBT T1 bis T6 und eines für
die gegenüberliegende
Diode D1 bis D6 einen Brückenzweiges
br, bs, bt geschützt
werden. Problematisch ist diese Vorgehensweise jedoch, wenn der Motor 2 beispielsweise
im Stillstand Drehmoment liefern soll und somit die Ausgangsfrequenz
des Wechselrichters 1 sehr niedrig oder null wird. Dann
reicht dieser Schutz nicht aus. In diesem Fall nimmt die Schwankungsbreite
der Temperaturen sehr stark zu, wobei es zu einer Überschreitung
der zulässigen Sperrschichttemperaturen
Tchip in den nicht überwachten Brückenzweigen
br, bs, bt, kommen kann, während
das thermische Modell einen anderen Brückenzweig br, bs, bt überwacht.
Des weiteren wird diese Problematik dadurch verschlechtert, dass
bei einem dreiphasigen Wechselrichter 1 nicht von vornherein
feststeht, welche Phase r, s, t bei einer Ausgangsfrequenz nahe
null den höchsten
Phasenstrom ir(t), is(t), it(t) führt. Wird beispielsweise der
Strom ir(t) zur Berechnung der Verlustleistung Pv und
der Erwärmung
herangezogen, der größte Ausgangsstrom
is(t) fließt
jedoch in Phase s, kann es zu einer Zerstörung der Halbleiter T3, T4,
D3, D4 im Brückenzweig
bs kommen, ohne dass das thermische Modell des Brückenzweigs
r eine Übertemperatur
erkennen kann.
-
Des weiteren ist vorher nicht bekannt,
ob das Vorzeichen des größten Phasenstromes
ir(t), is(t), it(t) positiv oder negativ ist. Ein negativer Strom
ir(t) (siehe 1) verursacht
beispielsweise keine Verluste in T1 oder D2.
-
Erfindungsgemäß wird unterschieden zwischen
einem Betrieb, bei dem die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 1 groß genug
ist, das ein thermisches Modell des IGBTs T1 und ein thermisches
Modell der Diode D2 des Brückenzweiges
br zur Überwachung
des gesamten Wechselrichters 1 ausreichen und einen Betrieb
mit einer darunter liegenden Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 1,
wobei die gleichen thermischen Modelle benutzt werden, jedoch anstelle
ir(t) der jeweils größte Betrag
eines Phasenstroms im(t) (siehe 6)
zur Berechnung der Verlustleistung Pv der
Nachbildung von T1 und D2 herangezogen wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Brückenzweig
br derjenige mit den kritischsten Kühlbedingungen.
-
In 7 ist
ein System 4 zur Überwachung eines
Wechselrichters 1, der einen Motor 2 versorgt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
prinzipmäßig dargestellt.
Das System 4 weist ein Modul 5 zur Berechnung
der Verlustleistung Pv auf. Das Modul 5 erhält als Eingabe
die Motordrehzahl M, sowie den Phasenstrom ir(t) des überwachten
Brückenzweigs
br und den von einem Modul 6 gelieferten größten Betrag
im(t) der Phasenströme
ir(t), is(t), it(t). In Modul 5 wird anhand der Motordrehzahl
M, die (unter Vernachlässigung
des Schlupfes) gleich der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 1 geteilt durch
die Polpaarzahl des Motors 2 ist, verglichen mit einem
zuvor festgelegten Grenzwert, entweder der Phasenstrom ir(t) oder
der größte Betrag
eines Phasenstroms im(t) aus Modul 6 zur Berechnung der
Verlustleistung Pv herangezogen. Die anschließend in Modul 5 ermittelte
Verlustleitung Pv dient als Eingabe für ein weiteres
Modul 7 zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperaturen
Tchip der Leistungshalbleiter T1 bis T6
und D1 bis D6 anhand der thermischen Modelle bestehend aus entsprechenden RC-Ersatzschaltbildern 3 des
IGBTs T1 und der Diode D2. Das Modul 7 liefert als Ausgabe
die aktuellen Sperrschichttemperaturen Tchip der
Leistungshalbleiter T1 und D2 stellvertretend für alle Leistungshalbleiter
T1 bis T6 und D1 bis D6. Anhand dieser Sperrschichttemperaturen
Tchip können
dann bei einer drohenden Überhitzung
entsprechende Maßnahmen
ergriffen werden.
-
Durch das System 4 wird
sichergestellt, dass die Verlustleistung Pv der
Phase r, s, t, die den größten Phasenstrom
ir(t), is(t), it(t) führt
(worst Gase) zur Berechnung der aktuellen Sperrschichttemperatur Tchip herangezogen wird. Des weiteren wird
durch die Betragsbildung gewährleistet,
dass immer der dadurch belastete IGBT T1 bis T6 und die Diode D1
bis D6 nachgebildet wird.
-
Demzufolge können in einfacher und vorteilhafter
Weise mit nur einem thermischen Modell für den IGBT T1 und einem thermischen
Modell für
die Diode D2 die Leistungshalbleiter T1 bis T6 und D1 bis D6 aller
Brückenzweige
r, s, t des dreiphasigen Wechselrichters 1 wirksam geschützt werden.
Es wird auch für
kleine Ausgangsfrequenzen oder den Betrieb mit einer Ausgangsfrequenz
null (im Stillstand des Motors 2 beim Anfahren) ein sicherer Schutz
gewährleistet,
unabhängig
davon in welcher Phase r, s, t der größte Phasenstrom ir(t), is(t),
it(t) fließt
und welches Vorzeichen dieser Phasenstrom ir(t), is(t), it(t) hat.